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Aeroelastische Tragflächen für effizienteres Fliegen

| Redakteur: Benjamin Kirchbeck

Forschern haben eine deutlich leichtere, dabei aber äußerst stabile Tragfläche entwickelt. Mithilfe der sogenannten aeroelastischen Flügel soll das Fliegen umweltfreundlicher und günstiger werden. Auf dem Flugplatz Oberpfaffenhofen hoben die Tragflächen nun zum ersten Mal ab.

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Die Flügel sollen nicht nur am Flugdemonstrator abheben. In einem weiteren Schritt sollen die Ergebnisse des Projekts auf die Konfiguration von Transport- und Passagierflugzeuge übertragen werden.
Die Flügel sollen nicht nur am Flugdemonstrator abheben. In einem weiteren Schritt sollen die Ergebnisse des Projekts auf die Konfiguration von Transport- und Passagierflugzeuge übertragen werden.
(Bild: DLR)

Flügel mit größerer Spannweite und geringerem Gewicht erzeugen weniger Widerstand - und sind daher energieeffizienter. Durch den effizienteren Auftrieb könnte zukünftig Kerosin eingespart und so die Emissionen und Kosten verringert werden. Der limitierende Faktor für den Bau solcher Flügel ist das aerodynamische Phänomen des Flatterns. Durch den Luftwiderstand sowie Windböen schaukeln sich die Schwingungen der Tragflächen immer weiter auf – wie bei einer Fahne im Wind. „Das Flattern führt zur Materialermüdung. Das kann sogar so weit gehen, dass der Flügel abreißt“, erklärt Sebastian Köberle, wissenschaftlicher Mitarbeiter am TUM-Lehrstuhl für Luftfahrtsysteme.

Zwar beginnt jeder Flügel bei einer bestimmten Geschwindigkeit zu flattern – aber kürzere und dickere Flügel besitzen strukturell eine höhere Steifigkeit und damit Stabilität. Flügel mit mehr Spannweite genauso stabil und steif zu bauen, würde viel mehr Gewicht bedeuten. Im europäischen Projekt FLEXOP (Flutter Free FLight Envelope eXpansion for ecOnomical Performance improvement) arbeiten Wissenschaftler aus sechs Ländern daher an neuen Technologien, die das Flattern unter Kontrolle bringen und es gleichzeitig erlauben, die Flügel leichter zu bauen.

Partner aus sechs EU-Ländern arbeiten an neuen Technologien, um das Flattern zu kontrollieren.
Partner aus sechs EU-Ländern arbeiten an neuen Technologien, um das Flattern zu kontrollieren.
(Bild: DLR)

Flügel weicht Wind aus

Die Forscher der TUM sind für die Konzeption und Durchführung der Flugversuche verantwortlich, die das tatsächliche Verhalten der zwei neuartigen Tragflächen zeigen, die im Projekt entwickelt wurden: Der aeroelastische Flügel und der Flatterflügel. Dazu bauten die Wissenschaftler der TUM zunächst den dreieinhalb Meter langen und sieben Meter breiten Flugdemonstrator und integrierten die Systeme der europäischen Partner. Bei der besonders leichten, aus Kohlefaser bestehenden, Tragfläche, die nun zum ersten Mal gestartet ist, handelt es sich um den sogenannten aeroelastisch optimierten Flügel, der vom DLR in Göttingen in Zusammenarbeit mit der Universität Delft entwickelt wurde.

Durch eine spezielle Ausrichtung der Fasern beim Aufbau des Flügels konnten die Forschenden sein Biege- und Torsionsverhalten beeinflussen. „Wird der Flügel durch die Luftkräfte gebogen, dreht er sich gleichzeitig und weicht den Lasten der Anströmung sozusagen aus“, sagt Prof. Dr. Wolf-Reiner Krüger vom Göttinger DLR-Institut für Aeroelastik. Mithilfe der Referenzflügel arbeiteten die Forscher der TUM im Vorfeld daran, den Flugdemonstrator automatisiert vorgegebene Flugversuchsmuster fliegen zu lassen. Sie erarbeiteten die optimalen Einstellungen und entwickelten Handbücher und Checklisten für die Flugversuche. „Der Flugdemonstrator soll mit den neuartigen Flügeln so schnell fliegen, dass diese theoretisch flattern müssten“, erklärt Köberle. „Bei solch hohen Geschwindigkeiten müssen wir sicher sein, dass nichts schiefgeht.“

Das Fluggerät muss vom Boden aus zu jedem Zeitpunkt zu sehen sein, sodass die Forscher jederzeit eingreifen können. Das bedeutet, dass die Flugmanöver in einem engen Radius von einem Kilometer geflogen werden. Nachdem die komplexen Vorarbeiten abgeschlossen waren, folgte der umfängliche Versuchsflug. „Es hat alles so geklappt, wie wir es uns vorgestellt haben“, sagt Köberle. „Jetzt beginnt die Datenauswertung.“

Aktive Klappenregelung im „Flatterflügel“

Ein weiterer im Projekt entwickelter supereffizienter Flügel ist der sogenannte „Flatterflügel“. Dabei handelt es sich um einen Entwurf der TUM. Er besteht aus Glasfasern. Kommt es zum Flattern, werden die äußeren Klappen ausgeschlagen. Sie wirken dabei wie Dämpfer. "Die eingebaute am DLR entwickelte aktive Regelung der Klappen vergrößert die Möglichkeiten für eine wesentlich leichtere Bauweise maßgeblich", sagt Dr. Gertjan Looye vom Oberpfaffenhofener DLR-Institut für Systemdynamik und Regelungstechnik, der den DLR-Anteil am Projekt leitet. Ein zweites Flugregelungssystem wird vom Computer and Automation Research Institute der ungarischen Akademie der Wissenschaften (MTA SZTAKI) entwickelt. Der Projektleiter Bálint Vanek von MTA SZTAKI ergänzt: "Mit einem solchen Flügel könnten künftig 20 Prozent mehr Fracht transportiert werden oder sieben Prozent Treibstoff eingespart werden." Diese Technologie ist besonders komplex. Daher werden die Tests an diesem Flügel erst zu einem späteren Zeitpunkt stattfinden.

Zuvor waren beide Varianten des supereffizienten Flügels bereits bei Standschwingungsversuchen getestet worden. Die Flügel sollen aber nicht nur am Flugdemonstrator abheben. In einem weiteren Schritt sollen die Ergebnisse des Projekts auf die Konfiguration von Transport- und Passagierflugzeuge übertragen werden.

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